新的激光雷達(dá)系統(tǒng)為相機(jī)、汽車和機(jī)器人提供 3D 視覺

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的基于實(shí)驗(yàn)室的原型激光雷達(dá)系統(tǒng)使用商用數(shù)碼相機(jī)成功捕獲了百萬(wàn)像素分辨率的深度圖。

如果機(jī)器人要帶我們穿越擁擠的城市，它們將需要一個(gè)精確的周圍世界的三維模型。標(biāo)志性的旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)——使用激光脈沖收集深度信息——裝飾著早期的自動(dòng)出租車，正在慢慢讓位于更小、更便宜的固態(tài)設(shè)備。但是，除了高端應(yīng)用之外，激光雷達(dá)仍然笨重、耗電且過(guò)于昂貴。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種創(chuàng)新系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以與幾乎所有量產(chǎn)的 CMOS 圖像傳感器集成，以可能以當(dāng)今激光雷達(dá)的一小部分價(jià)格捕獲 3D 數(shù)據(jù)。它依賴于壓電效應(yīng)，即一些材料變形產(chǎn)生電能的過(guò)程，反之亦然。

斯坦福電氣工程系的Okan Atalar和Amin Arbabian從薄膜鈮酸鋰開始，這種材料通常用于手機(jī)和通信系統(tǒng)中的波導(dǎo)和光開關(guān)。用透明電極涂覆薄膜使它們能夠激發(fā)晶體，建立一個(gè)聲學(xué)駐波，調(diào)節(jié)通過(guò)它的光的強(qiáng)度。

這使他們能夠執(zhí)行調(diào)制飛行時(shí)間 (MToF) 計(jì)算，捕捉到場(chǎng)景中物體的距離信息。飛行時(shí)間的工作方式如您所料：測(cè)量從發(fā)射光脈沖到它返回的時(shí)間，并由此計(jì)算到它反彈的物體的距離。普通飛行時(shí)間的問(wèn)題在于，即使是最短暫的激光脈沖（幾納秒）也有幾十厘米長(zhǎng)，這限制了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

在 MToF 中，激光信號(hào)被調(diào)制，檢測(cè)器對(duì)該調(diào)制進(jìn)行解碼，測(cè)量返回信號(hào)的相移以確定距離。Atalar 的光聲調(diào)制器需要不到一瓦的功率，這比傳統(tǒng)的電光設(shè)備要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

在Nature Communications最近的一篇論文中描述的測(cè)試中，調(diào)制器與具有 4 百萬(wàn)像素分辨率的標(biāo)準(zhǔn) CMOS 數(shù)碼相機(jī)配對(duì)。它構(gòu)建了幾個(gè)金屬目標(biāo)的相對(duì)高分辨率的深度圖，將它們定位在幾厘米以內(nèi)。“它的增量成本非常低，因?yàn)槟恍柙?CMOS 傳感器頂部添加一層和一些電子設(shè)備，它仍然可以獲得您今天獲得的彩色圖像和寬動(dòng)態(tài)范圍，”Arbabian 說(shuō)。“但是然后你打開另一種模式，你可以使用相同的電子設(shè)備進(jìn)行飛行時(shí)間。”

與標(biāo)價(jià)數(shù)千（或數(shù)萬(wàn)）美元的專業(yè)激光雷達(dá)相比，CMOS 相機(jī)每年的制造量高達(dá)數(shù)十億美元，通常每個(gè)成本僅為幾美元。Arbabian 認(rèn)為，即使添加光學(xué)調(diào)制器會(huì)使 CMOS 相機(jī)的價(jià)格翻倍，它仍然可以為深度傳感系統(tǒng)開辟新市場(chǎng)。“想想安全攝像頭或虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)耳機(jī)的應(yīng)用，”他說(shuō)。“3D 感知可以為智能手機(jī)增加手勢(shì)檢測(cè)。”

斯坦福團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在建立其概念驗(yàn)證演示，旨在增加系統(tǒng)運(yùn)行的頻率并改進(jìn)調(diào)制以提高其準(zhǔn)確性。Atalar 估計(jì)，該技術(shù)距離被剝離用于商業(yè)開發(fā)還有一兩年的時(shí)間。

當(dāng)它最終到達(dá)那里時(shí)，它可能會(huì)發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)市場(chǎng)有點(diǎn)不同。去年，索尼宣布正在將飛行時(shí)間激光雷達(dá)系統(tǒng)的光學(xué)開關(guān)直接構(gòu)建到單個(gè)成像芯片上。單光子雪崩二極管 (SPAD) 像素堆疊在距離測(cè)量處理電路上方，提供 0.1MP 的有效分辨率。

這不是很詳細(xì)，但預(yù)計(jì)該芯片的成本僅為 120 美元左右，并且可能會(huì)受益于摩爾定律的價(jià)格和性能路徑。“硅相對(duì)便宜，” SLiC業(yè)務(wù)發(fā)展和營(yíng)銷副總裁 Ralf Muenster 說(shuō)，這是一家構(gòu)建自己的緊湊型低功率激光雷達(dá)的初創(chuàng)公司。“所以現(xiàn)在把東西放在硅上很有吸引力，尤其是成像儀。制造斯坦福的調(diào)制器不會(huì)像硅那么簡(jiǎn)單。”

SLiC 正在尋求使用調(diào)頻連續(xù)波 (?FMCW?) 激光雷達(dá)的完全集成的視覺芯片。這種高度準(zhǔn)確的深度感應(yīng)技術(shù)還具有捕獲場(chǎng)景中每個(gè)物體速度的優(yōu)勢(shì)，這可以使其在自動(dòng)駕駛等安全關(guān)鍵應(yīng)用中的使用更加順暢。

隨著激光雷達(dá)的縮小和放大，純二維圖像傳感的日子似乎屈指可數(shù)。您可能在所謂的自動(dòng)駕駛汽車上看到了您的第一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)。您可能會(huì)在手機(jī)上看到下一個(gè)。

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